三相四桥臂逆变器的设计与解耦控制

分类号密级U D C学 位 论 文三相四桥臂逆变器的设计与解耦控制作者姓名：王狄指导教师：张化光教授副导师：陈宏志讲师申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：电力电子与电力传动论文提交日期：2008年2月22日论文答辩日期：2008年2月26日学位授予日期：答辩委员会主席：评阅人：东北大学2008 年2月A Thesis for the Degree of Master in Power Electronics and Electric DrivesDesign and Decoupling Control Strategy of theThree-phase Four-leg InverterBy Wang DiSupervisor : Professor Zhang HuaguangNortheastern UniversityFebruary 2008独创声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。

论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。

学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。

（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要三相四桥臂逆变器的设计与解耦控制摘要分布式能源是世界能源发展的最新方向，也是与信息时代相伴而生的互联网式的能源系统。

以微型燃气轮机为动力的发电机组，同时配以电力变换装置的微型供电系统，成为分布式能源重点。

这种供电系统既能够单独运行，也可以并网运行。

本文主要是以国家863重大科技攻关项目“100kW级微型燃气轮机控制与电力变换系统”的研发为工作基础，对三相四桥臂逆变器进行了研究和方案实现。

传统的逆变电路没有中线，带三相对称负载(如三相交流电机)可以得到三相对称的相电压。

但是如果三相负载不对称或非线性就会造成相电压不平衡。

因此需要设置三相中线，通过中线的控制来保证在非对称负载下三相电压的对称。

这种三相四桥臂逆变器具有结构紧凑、体积重量小、效率高等优点。

三相四桥臂逆变器在增加一个桥臂的同时，也增加了一个自由度，由于第四桥臂的滤波电感引起的耦合效应，使三相电压的控制变得十分复杂。

本文针对这一问题，提出了一种解耦控制策略，将滤波电感看成电源内部阻抗，并从改变电源内部阻抗思想出发，推导出变换关系，使三相电压控制实现解耦，将复杂的三相电压的控制，转化为单相电压控制问题，同时解决了第四桥臂电感值的选择问题。

该变换需要的参数和变量较少，简化了四桥臂三相逆变器的控制算法。

本文还通过MATLAB仿真软件对上述的电路拓扑和正弦脉宽调制控制策略进行了仿真验证。

对DSP作为控制芯片硬件平台进行了设计和调试，并编写完成了实现控制策略的汇编语言。

通过仿真波形和实验结果可以得出结论：采用前馈控制方案的三相四桥臂逆变器，在三相负载平衡和不对称的情况下三相电压仍能对称输出。

关键词：微型燃气轮机；数字信号处理（DSP）；三相四桥臂；逆变器；正弦脉宽调制（SPWM）；解耦控制Design and Decoupling Control Strategy of theThree-phase Four-leg InverterAbstractDistributed energy is latest evolution direction of world energy and an energy system with world-wide-web structure.With the development of the gas turbine technology, the electric generator which is driven by micro-gas-turbine and equipped with the power transform devices has become the emphasis of distributed energy sources development. These power generators may run in either stand-lone or grid parallel mode. The research background of this dissertation is the “National High Technique 863” key science research project--the research of 100 kW micro-gas- turbine generator and electric power transform system. In this thesis, the scheme of three-phase four-leg inverter is discussed.Tradition inverterhas not neutral line, only symmetrical loads of three-phase (such as AC Motor) can get the symmetrical three-phase voltage.When the three-phase loads are asymmetric and nonlinear, three-phase voltage is unbalanced.For that reason, it is needed that using neutral line to assure three-phasevoltage is balanced. This inverter has the merit of compact structure, small bulk factor and efficient.Three-phase four legs inverter added a leg based on three-phase three legs inverter, has a morecomplex control method. Because of the existence of the fourth leg and the coupling effect of the filter inductance, the control of the three-phase voltage became very complicated. This thesis proposed a new decoupling control strategy for the above problem. In this thesis, the filter inductance is regarded as an inner resistance of the power source. A transformation relationship was proposed based on the idea of changing the inner resistance of the power source. Therefore the three-phase voltage can be decoupled entirely and the complex control problem can be changed a into simple single-phase voltage control. At the same time, this method gives how to choose the value of the fourth leg’s inductance. The method needs fewer parameters and variables and simplifies the control algorithm of Three-phase Four-legged Inverter.In this thesis, the simulation of topology and modulation strategy is validated by MATLAB. The hardware platform based on DSP as control chip is designed and debugged, and then,SPWM control scheme is realized through programming by assembly language. Form the figures of simulation and the results of experiment. Finally, the conclusion that the three-phase four-leg inverter with feedforward strategy can output the excellent three-phase AC voltage under the balanced and appreciably balanced load conditions is drew.Key words： micro gas turbine; digital signal processing(DSP); three-phase four-leg; inverter; sine pulse width modulation(SPWM); decoupling control目录独创声明 (I)摘要 (II)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1 课题的背景与意义 (1)1.2 WDR100 工程样机简介 (1)1.3 逆变技术的现状与发展 (3)1.4 本文主要作研究的工作 (5)第二章三相四桥臂逆变器发展及控制理论分析 (7)2.1 引言 (7)2.2 不对称三相电路分析 (7)2.3 三相三桥臂逆变器 (8)2.4 三相四桥臂逆变器 (10)2.5 三相四桥臂逆变器的控制策略 (11)2.5.1 PWM控制 (11)2.5.2 滞环电流控制 (11)2.5.3 空间矢量控制 (12)2.6 本章小结 (12)第三章三次谐波注入的SPWM控制策略 (13)3.1 SPWM控制原理 (13)3.2 基于三次谐波注入法的SPWM控制策略 (15)3.3 三相四桥臂逆变器的正弦脉宽调制控制策略 (17)3.4 四桥臂逆变器的三次谐波注入的SPWM控制策略模型 (18)3.4.1 仿真参数的设置 (19)3.4.2 仿真结果 (19)3.5 本章小结 (22)第四章主逆变单元的功率电路与控制电路设计 (23)4.1 引言 (23)4.2 逆变器功率电路设计 (23)4.2.1 功率开关器件的选取 (23)4.2.2 驱动板选取 (24)4.2.3 IGBT保护电路设计 (26)4.2.4 电力滤波器设计 (26)4.3 逆变器控制电路设计 (28)4.3.1 核心芯片DSP TMS320LF2407A的介绍 (29)4.3.2 电源设计 (30)4.3.3 锁相环电路设计 (30)4.3.4 AD转换接口 (31)4.3.5 外部存储器电路设计 (33)4.3.6 窄脉冲限制电路设计 (34)4.3.7 CAN总线通讯接口设计 (35)4.3.8 SCI串口设计 (37)4.3.9 板设计中的抗干扰措施 (37)4.4 本章小结 (38)第五章逆变器的软件的设计 (39)5.1 引言 (39)5.2 初始化及主等待程序 (40)5.3 通信模块 (41)5.3.1 SCI串口通信 (41)5.3.2 CAN通信模块 (41)5.4 A/D采样模块 (43)5.5 数字PID调节控制方式 (43)5.6 数字低通滤波器 (44)5.7 SPWM模块 (48)5.8实验结果及其分析 (49)5.9本章小结 (52)第六章四桥臂三相逆变器的电源内部阻抗变换模式解耦控制策略 (53)6.1 问题的提出 (53)6.2 解耦控制策略介绍 (53)6.2.1 四桥臂三相逆变器等效电路的一般形式 (53)6.2.2 解耦控制的理论推导 (55)6.2.3 解耦后的等效电路 (57)6.2.4 控制系数和电感比例系数的选择 (58)6.2.5 各相滤波电感参数变化对解耦控制的影响 (58)6.3 逆变电源的控制系统设计 (59)6.3.1 单相交流正弦电压控制 (59)6.3.2 零线相控制 (60)6.4 电源内部阻抗变换控制方案的MATLAB仿真 (61)6.4.1 仿真结果 (61)6.4.2 仿真结论 (63)6.5 本章小结 (63)第七章结语 (65)7.1 本文总结 (65)7.2 进一步工作的设想 (65)参考文献 (67)致谢 (69)东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题的背景与意义众所周知，“能源、环境、发展”是21世纪发展的三大主题。